Springboot 系列：Cache

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这篇文章主要讲述如何在 Springboot 中集成 Redis Cache 功能。

概述

在 Springboot 项目中引入 Redis Cache 包含以下三个步骤：

  1. 安装部署 Redis;
  2. 引入相关依赖；
  3. 开启 Cache 功能，并使用 @Cacheable 、@CachePut 、@CacheEvict 、@Caching 等 annotaion 标注需要使用 Cache 的方法；

第一个步骤可以参考其它文章，我们重点介绍后面两个步骤。

引入依赖

主要是引入两个依赖，分别是 Spring Cache 和 Redis 相关的依赖。 

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<!-- cache -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>

<!-- redis cache -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

开启 Cache

首先在引入缓存的方法上添加相关的 annotaion, 如下代码如下：

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@Service
public class UserService {

    @Autowired
    private UserMapper userMapper;

    @Cacheable(value = "users", key = "#id")
    public User getUser(Integer id) {

        User user = userMapper.getUser(id);

        return user;
    }

	// ...

}

最后使用 @EnableCaching 开启缓存功能即可。

基本原理

Cache Anotation

在 Spring Caceh 中，有两个关键的接口：org.springframework.cache.Cache 和 org.springframework.cache.CacheManager. 两个接口用来统一不同的缓存技术，Cache 接口是对缓存的抽象，它包含了基本的操作，如增加、删除、读取等，CacheManager 是管理 Cache 的接口，通过它可以获取具体的 Cache 实现类。不同的缓存技术需要实现这两个接口，并添加到 Spring 容器中，由 Spring 统一管理。data-redis 便实现了这两个接口。

Spring Cache 本质是在使用缓存的方法上加入一个过滤器，根据方法的输入参数和输出结果生成一个缓存的 Key, 并将返回结果缓存到指定的 Key 上。 怎么标注要使用缓存的方法呢？ 在 Spring 中引入了如下的 annotation, 它们主要是应用在方法上。

  • @Cacheable: 主要是用在查询方法上，用于将返回结果缓存到 Cache 中，该 annotation 在方法调用前先判断缓存是否存在，如果存在则直接返回缓存的值；如果缓存不存在，则执行方法，并将返回结果缓存到 Cache 中；
  • @CachePut：用于将返回结果缓存到 Cache 中；
  • @CacheEvict：用于清空指定的缓存，可以通过 beforeInvocation 参数控制执行的时间，若为 true, 则在方法前执行，反之方法后执行；
  • @Caching：该注解可以实现同一个方法上同时使用多种注解，如 Cacheable, CachePut, CacheEvict;

Cache 参数配置：

  • @CacheConfig：用于配置 Cache 相关参数，如：cacheNames, keyGenerator, cacheManager 和 cacheResolver, 一般配置在类上；
  • @EnableCaching：开启缓存功能，一般放在启动类上；

在方法上添加了 @Cacheable, @CachePut, @CacheEvict 和 @Caching annotaion 之后，Spring 使用 Aop 技术，在方法中会添加一个 CacheInterceptor 过滤器，其核心代码如下：

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// CacheAspectSupport
private Object execute(final CacheOperationInvoker invoker, Method method, CacheOperationContexts contexts) {
	// ...

	// 1、若有CacheEvict，且设置 beforeInvocation 为 true, 则在方法前执行 CacheEvict 操作；
	processCacheEvicts(contexts.get(CacheEvictOperation.class), true,
			CacheOperationExpressionEvaluator.NO_RESULT);

	// 2、若有 Cacheable，则执行查询操作；
	Cache.ValueWrapper cacheHit = findCachedItem(contexts.get(CacheableOperation.class));

	List<CachePutRequest> cachePutRequests = new LinkedList<>();
	if (cacheHit == null) {
		collectPutRequests(contexts.get(CacheableOperation.class),
				CacheOperationExpressionEvaluator.NO_RESULT, cachePutRequests);
	}

	Object cacheValue;
	Object returnValue;

	if (cacheHit != null && !hasCachePut(contexts)) {
		// 2.1 若缓存命中(存在)且没有 CachePut 操作，则将缓存内容包装成返回结果；
		cacheValue = cacheHit.get();
		returnValue = wrapCacheValue(method, cacheValue);
	}
	else {
		// 2.2 若缓存没有命中，则调用方法，并包装返回结果；
		returnValue = invokeOperation(invoker);
		cacheValue = unwrapReturnValue(returnValue);
	}

	// 3、收集 cachePut 操作； 
	collectPutRequests(contexts.get(CachePutOperation.class), cacheValue, cachePutRequests);

	// 4、如果有 cachePut 或 Cacheable 未命中，则执行写入缓存操作；
	for (CachePutRequest cachePutRequest : cachePutRequests) {
		cachePutRequest.apply(cacheValue);
	}

	// 5、若有CacheEvict，且设置 beforeInvocation 为 false, 则在方法后执行 CacheEvict 操作
	processCacheEvicts(contexts.get(CacheEvictOperation.class), false, cacheValue);

	return returnValue;
}

主要流程包括：

  • 判断是否有 CacheEvict annotation, 若有 CacheEvict，且设置 beforeInvocation 为 true, 则在方法前执行 CacheEvict 操作；
  • 判断是否有 Cacheable annotation, 若有 Cacheable，则直接从 Cache 中读取内容：1) 若缓存命中(存在)且没有 CachePut 操作，则将缓存内容包装成返回结果; 2) 若缓存没有命中，则调用方法，并包装返回结果;
  • 收集 cachePut 操作， 如果有 cachePut 或 Cacheable 未命中，则执行写入缓存操作；
  • 最后判断是否有 CacheEvict, 若有 CacheEvict，且设置 beforeInvocation 为 false, 则在方法后执行 CacheEvict 操作。

说明：使用 @Cacheable, @CachePut annotaion, 方法签名中必须有返回结果，否则将存储 NULL 对象。

加载 CacheInterceptor

CacheInterceptor 是实现缓存存储逻辑的关键，在启动类加上 @EnableCaching annotaion,通过 CachingConfigurationSelector 类引入 ProxyCachingConfiguration Configuration 类. 而 CacheInterceptor 就是由 ProxyCachingConfiguration 定义生成的。
Cache, CacheManager 是 Spring 定义的 SPI 接口，通过引入 spring-boot-starter-data-redis 依赖，将 RedisCache, RedisCacheManager 加入到项目中，最后结合 Springboot 的 autoconfigure 技术将这两个实现类加入容器中，从而被 CacheInterceptor 引用到。

代码实例

以代码为例，使用 mybatis 作为 ORM 框架，使用 Redis 作为缓存的后端实现，版本约定如下：

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<properties>
	<!-- spring-boot version -->
    <spring-boot.version>2.2.5.RELEASE</spring-boot.version>
	
    <mysql.driver.version>8.0.16</mysql.driver.version>
    <mybatis-spring-boot.version>1.3.5</mybatis-spring-boot.version>

</properties>

定义 User Bean

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public class User implements Serializable {

    private Integer id;
    private String name;
    private String password;
    private String sex;
    private String nickname;

    public User() {
    }

    // ...
}

id 字段为用户表主键，在插入时需要从数据库返回用于缓存的 Key.

定义 User Mapper

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public interface UserMapper {

    @Select("SELECT * FROM t_user_info")
    List<User> getAll();

    @Select("SELECT * FROM t_user_info WHERE id = #{id}")
    User getUser(Integer id);

    @Insert("INSERT INTO t_user_info(name,password,sex,nickname) VALUES(#{name}, #{password}, #{sex}, #{nickname})")
    @Options(useGeneratedKeys = true, keyProperty = "id")
    void insert(User user);

    @Update("UPDATE t_user_info SET name=#{name},nickname=#{nickname} WHERE id =#{id}")
    void update(User user);

    @Delete("DELETE FROM t_user_info WHERE id =#{id}")
    void delete(Integer id);

}

说明：在执行 insert 操作时，使用 @Options(useGeneratedKeys = true, keyProperty = "id") 返回自增主键。

扫描 Mapper

在启动类中加入 @MapperScan("org.noahsark.cache.mapper"), 指定扫描的 Mapper 对象。

定义 User Service

在 Service 类中加入对缓存的操作，如下所示：

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@Service
public class UserService {

    @Autowired
    private UserMapper userMapper;

    public List<User> getUsers() {
        List<User> users = userMapper.getAll();
        return users;
    }

    @Cacheable(value = "users", key = "#id")
    public User getUser(Integer id) {

        User user = userMapper.getUser(id);

        return user;
    }

    @CachePut(value = "users", key = "#user.id")
    public User save(User user) {
        userMapper.insert(user);

        return user;
    }

    @CachePut(value = "users", key = "#user.id")
    public User update(User user) {
        userMapper.update(user);

        return user;
    }

    @CacheEvict(value = "users", key = "#id")
    public void delete(Integer id) {
        userMapper.delete(id);
    }
}

说明：

  • @Cacheable,@CachePut annotation 的方法签名必须有返回结果；
  • Redis 使用 String 格式存储数据，完整的 key 为：users::#id, id 为具体的值；

key 参数使用 spEL 表达式，可以包含以下参数：
redis-key-spel

开启缓存

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@SpringBootApplication
@MapperScan("org.noahsark.cache.mapper")
@EnableCaching
public class SpringbootCacheApp {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringbootCacheApp.class, args);
    }
}

在启动类中加入 @EnableCaching.

工程代码：https://github.com/noahsarkzhang-ts/springboot-lab/tree/main/springcloud-cache


参考：

1. Spring Boot 2.X(七)：Spring Cache 使用

2. SpringBoot 缓存之 @Cacheable 详细介绍